摘要(yào):爲了研究孔闆(pǎn)流量計 在動态(tai)非穩定流态或(huo)振蕩流态下的(de)瞬時壓力-流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量(liàng)🔱特性，理論分析(xī)了孔闆前後的(de)旋渦城大小随(suí)流速變🔞化是引(yin)起孔闆進出口(kou)瞬時流量差的(de)主要原因.借助(zhù)CFD數值解析方法(fa),建立孔闆模型(xíng),并在模型入口(kou)加載某一頻率(lü)下的正弦流速(sù)，對孔闆流量計(ji)在👣振蕩流态下(xià)的瞬時壓力-流(liú)量特性進行分(fèn)析.結果👣表明:當(dang)孔闆流✍️量計處(chù)于低頻振蕩流(liu)動狀态時,孔闆(pan)兩端差壓也處(chu)👅于周期振蕩狀(zhuang)态,差壓與節流(liú)孔瞬時流量同(tong)頻不同相，差壓(yā)幅值随入口流(liú)速振幅增大而(er)線🔞性增大，且線(xiàn)🔞性增長系數與(yu)振蕩頻🤩率相🍉關(guan);孔闆的入口與(yǔ)出口存⁉️在周期(qī)波動的🥰瞬時流(liu)量♍差,振蕩頻率(lü)越大或入口流(liú)速峰值越小,瞬(shùn)時流量差的🌐波(bo)動越小，由于相(xiàng)位滞後和瞬時(shí)流量差的存在(zài)，使孔闆流量計(ji)的測量流量與(yǔ)實際出口流量(liàng)之間存在偏差(chà).振蕩頻率越大(da)，偏差也越大.
　　孔(kǒng)闆流量計因其(qí)結構簡單、耐用(yòng)而成爲目前國(guó)際上标準化程(cheng)度最高、應用最(zuì)爲廣泛的一種(zhǒng)流量計,因此研(yan)究⚽節流孔的流(liú)量♉特性,對提高(gao)孔闆流量計測(ce)量不☎️确定度的(de)認識具有很重(zhòng)要的意義.孔闆(pǎn)流量計通過測(cè)量壓差進而獲(huò)得流量.當液🌈流(liu)經過節流孔,流(liú)束縮小,流速變(bian)大并伴随着較(jiào)大的壓力降☔.流(liú)束的最小橫斷(duàn)面出現在實際(jì)縮口的下遊,稱(chēng)爲💁縮流斷面.在(zai)縮流斷面處☀️,壓(yā)力最低.壓降的(de)産生是由于在(zài)孔闆的兩側🔞側(ce)面出現回流區(qū)及旋渦域,造成(chéng)較大的内部紊(wen)流和📞能量損耗(hao)的結果[1-2].旋渦域(yu)的大小取決于(yú)流動雷諾數🚩,随(suí)着雷諾數的增(zēng)大,渦旋🚶強度增(zēng)加[3].
　　流體力學中(zhong)對孔口恒定出(chū)流的描述爲孔(kong)闆結構的設🌐計(ji)提供㊙️了理論依(yi)據.但實際應用(yòng)中，由于外界激(jī)勵❓引起的壓力(lì)波動,圓管内流(liú)體常處于動态(tài)非🚶‍♀️穩定流态或(huò)振💃蕩流态[4],孔闆(pan)流量計内部流(liu)場結構變化極(ji)爲👉複雜，因此,計(ji)量孔闆的瞬時(shi)流量特性往往(wǎng)與理論分析結(jié)果存在偏差因(yin)此,有必要對孔(kǒng)闆👈在非穩定流(liu)🍉态下的流量特(te)性♋進行研究.
　　通(tōng)過Fluent流體仿真程(chéng)序,對不同節流(liú)孔直徑比的孔(kong)闆,以水‼️爲介❓質(zhì)🐅在振蕩流态下(xià)的流動過程進(jìn)行仿真,對其瞬(shun)時壓力-流量特(tè)性進行分析.
1理(li)論分析
　　通常在(zài)特定測壓位置(zhì)和特定流體參(cān)數情況下,根據(ju)流體流動的連(lian)續性方程和伯(bo)努利方程可推(tuī)導🧑🏾‍🤝‍🧑🏼出孔闆前後(hòu)差壓△p與流經節(jiē)流孔的體積流(liu)量QY滿足以下函(hán)數關系[5],即
 
　　式中(zhong):C爲流出系數;ρ爲(wèi)流體密度;β爲節(jie)流孔的直徑比(bi)🥵(β爲節流孔直徑(jìng)d與圓管内徑D的(de)比值,即β=d/D);sign爲符号(hao)函數*.
圓管進口(kou)流量可計算公(gōng)式爲
 
　　孔闆流量(liàng)計通過測量節(jie)流孔兩端差壓(ya)進而獲得✌️節流(liú)孔流量QV.對于不(bú)可壓縮的定常(chang)流，圓管進口流(liú)🥵量Qin和出口流量(liang)Qout與節流孔流量(liang)QY相等,聯立以上(shàng)方程♊可得節流(liú)孔兩端差壓與(yu)人口流速的關(guan)系表達式爲
 
　　由(you)式(3)可知,孔闆兩(liang)端差壓也呈周(zhou)期性波動,.其振(zhen)蕩❌頻率🔆與孔闆(pan)人口流速振蕩(dang)頻率相同.
　　孔闆(pǎn)前後存在旋渦(wo)域.旋渦域的大(dà)小占據圓管空(kong)間,液💔體在♋旋渦(wo)域停留,不流向(xiang)下遊管道.旋渦(wō)域增大,則流向(xiàng)圓管出口❄️的液(yè)流減少.由于孔(kong)闆前後遊渦旋(xuan)強度随流動雷(léi)諾數增大而增(zeng)大,即随流速增(zeng)加旋渦域變大(da)3]，.在振🏒蕩流态下(xià),旋渦域大小随(sui)入口流速變化(huà)也表現爲周期(qī)性變化狀态,變(biàn)化頻率與🆚流速(sù)振蕩頻🌈率相同(tong).因此，在某一極(jí)短時間段❄️内,旋(xuán)渦域的體積變(biàn)化量表現爲圓(yuán)管進、出口的瞬(shùn)時流量之差.對(duì)于不可壓縮的(de)非定常流,人口(kou)瞬時流量Qin與出(chu)口瞬♻️時流量Qout和(hé)節流孔瞬時流(liú)量QY滿足以下關(guān)🔴系,即
 
　　式中:△Q表示(shi)圓管進出口瞬(shun)時流量差.瞬時(shi)流量差的存㊙️在(zài)，使孔闆📞流量計(jì)實際測量流量(liang)Qv與出口瞬時流(liu)量Qout之間不可避(bì)免存在偏差.
　　事(shi)實上,由于節流(liu)孔的壓降作用(yòng),當孔闆下遊壓(yā)力低于液體飽(bǎo)和蒸氣壓以下(xià)，氣泡将在下遊(you)管道産生,形成(chéng)閃蒸現象.當壓(yā)力上升,氣泡破(pò)裂瞬間産生局(jú)部空穴,高壓液(ye)體重新流向這(zhe)些空間.顯然,氣(qi)泡🐆和空穴占據(jù)了下遊管道空(kong)間,使進、出口流(liu)
量Qm與Qout,存在差異(yi),出現瞬時流量(liàng)差實際孔闆流(liu)量計使用過程(chéng)🙇🏻中避免閃蒸和(he)空穴現象的出(chu)現,故文中對其(qí)影響不做表述(shu)⛱️.
爲進一步探究(jiu)孔闆的瞬時壓(yā)力流量特性,文(wen)中以上述理論(lùn)分析爲基礎，結(jié)合有限元分析(xi)思想,對孔闆流(liú)量計在低頻微(wēi)幅振💋蕩流态下(xia)的壓力流量特(te)♌性進行了分析(xī).
2期修仿真
2.1控基(jī)文圖
　　文中選用(yong)RNGk-ε湍流模型對孔(kong)闆的流量特性(xing)進行模拟.該模(mo)型的📧控制方程(chéng)分别爲連續性(xing)方程
 
　　上述式中(zhong):xi,xj分别爲縱向和(he)橫向坐标;ui,uj分别(bie)爲縱向和想象(xiàng)的速♻️度分量;p爲(wei)流體壓力;v爲流(liú)體運動黏度;vt爲(wei)流體渦流黏度(dù),vt=Cμk²/Ɛ,其中k爲湍動能(neng),Ɛ爲湍動耗散率(lü),Cμ=0.085.
　　模型邊界條件(jian)包括速度人口(kou)、壓力出口、無滑(hua)移壁面邊界,在(zai)近壁面區域采(cai)用标準壁面麗(li)數進行處理.采(cǎi)用軸🧡對稱邊界(jie),即模型對稱軸(zhóu)的徑向速度爲(wèi)0.在求解離散方(fang)程組和壓力速(sù)度耦合時選擇(zé)了SIM-PLE算法,動量和(hé)🥰湍流動能分别(bié)采用的是二階(jiē)迎風與一階迎(ying)風差分☎️格式.
2.2仿(pang)真文收
　　利用孔(kong)闆模型的軸對(duì)稱性的特征,在(zài)圓柱坐标系下(xia)建立它們🤟的1/2實(shí)體模型,取壓方(fāng)式采用D-D/2取壓其(qí)計算域🔴如圖1所(suǒ)示.孔闆🌐.上遊直(zhí)管段長度爲20D,充(chōng)足的上遊管長(zhang)能夠确✊保液流(liú)在孔闆上遊爲(wèi)充分發展的湍(tuan)流流動.模型具(jù)體尺寸,其中D=12.3mm,β=0.247,Lu=246mm,Lt=494mm,t=2mm.
　　爲(wei)了表現孔闆前(qián)後的流場變化(hua)情況,首先在壁(bì)面附🐪近♉劃分邊(biān)界層網格,邊界(jiè)層第一次厚度(du)爲0.1mm,共10層,高度🈚增(zeng)長❓因子1.1.其次,爲(wèi)了提高孔闆附(fù)近的計算精🈲度(du),對靠近孔闆部(bù)分的網格進行(hang)局部加密,離節(jie)流🐅孔越遠,網格(ge)越稀疏最後,利(li)用結構化網格(ge)生成方⭐式劃分(fen)其餘部分網格(gé).
 
　　文中所選用的(de)流體介質爲常(cháng)溫狀态下的水(shui).人口流速設定(dìng)爲某一-頻率下(xià)的正弦流動u=uarg+uamp·sin(2πƒt)，選(xuǎn)擇不同平均流(liu)速uarg、流速振幅uamp和(hé)振蕩頻率ƒ參數(shù)作爲節流孔的(de)人口流👅速,具體(tǐ)參數見表1.利用(yòng)UDF功能将該自定(ding)義速度函數加(jia)🌈載在模型的速(su)度人口.
 
3網出第(di)日
3.1振蕩差絡
　　通(tōng)過後處理後可(ke)以觀察到,當人(ren)口流速爲某一(yi)頻❌率下的正弦(xian)流動時,孔闆兩(liang)端将出現與人(rén)口流速頻率相(xiang)同的振蕩差壓(yā).如圖2所示，節流(liú)孔瞬時流量與(yu)差壓振蕩頻💰率(lǜ)相等㊙️且具有固(gù)定的相位滞後(hou).相位滞後意味(wei)着測量壓差不(bú)能反映當時的(de)流量情況.此外(wai)，由于壓差測量(liàng)裝置的動作時(shí)限,測量壓差🚩滞(zhi)後,不能及時反(fan)映瞬時壓差的(de)變化因此，在振(zhèn)蕩流态下,孔闆(pǎn)流量🤩計對瞬時(shi)流量的❗測量存(cun)在不确定性.
　　圖(tú)3爲人口流速振(zhèn)幅與差壓幅值(zhí)的關系.對于同(tong)一🧡振蕩頻率的(de)入口流速,孔闆(pǎn)兩端差壓幅值(zhí)随人口流速振(zhen)幅增大⛹🏻‍♀️而線🆚性(xing)增大,但其線性(xìng)增長系數與振(zhèn)蕩頻率有關.
 
　　從(cong)圖4中可以看出(chū)當人口流速振(zhen)幅一定時,節流(liu)孔兩端差壓的(de)🌈振蕩幅值随振(zhen)蕩頻率的增大(dà)而增大.差壓😄幅(fu)值與振蕩頻率(lǜ)存在近似一次(cì)線性關系.
　　在孔(kǒng)口恒定出流情(qíng)況下,測量流量(liang)與實際節流孔(kǒng)😄流量Qv相♌同.而在(zai)振蕩流态下,差(cha)壓幅值随振蕩(dàng)頻率線性增大(da),則測量流量幅(fú)值越大,與實際(ji)節流孔流量的(de)偏差也越大.
　　從(cong)圖5中可以看出(chu),平均入口流速(su)的變化,對壓力(li)幅值的影響幾(jǐ)乎可以忽略.
3.2瞬(shun)時流量差
　　在振(zhen)蕩流态下,孔闆(pǎn)前後回流區和(hé)旋渦域的大小(xiǎo)随🏃🏻‍♂️人口🔴流速變(biàn)化不斷改變，導(dao)緻進出口流量(liang)存在.瞬時流量(liàng)差△Q,如圖6所示.瞬(shùn)時流量差表現(xian)爲複雜的周期(qī)性🤞波動,其波動(dong)周🐆期與差🔴壓振(zhèn)蕩周期相同,相(xiàng)位介于瞬時流(liu)量和差壓兩者(zhě)🏒之間,且稍滞後(hòu)于振蕩差壓.當(dang)差壓增大至峰(fēng)值點時，瞬時流(liu)量差趨向📞其波(bo)峰,并在到達峰(feng)值點後反向階(jiē)躍.
 
　　爲研究人口(kou)流速各參數對(duì)瞬時流量差的(de)波動特性影響(xiǎng),對☂️仿真記錄的(de)瞬時流量差數(shu)據作方差分析(xi)和極差分析,以(yǐ)此描述🐇瞬時流(liú)量差的波動情(qíng)況.瞬時流量差(chà)的極差和方差(cha)與振蕩頻🚶率關(guān)系如圖7所示.當(dang)入口平均流💔速(su)和流速🐉振幅不(bu)變時,瞬時流量(liàng)差的極差和方(fang)差随人口流速(su)的振蕩頻率增(zēng)大而減小也即(ji)人口流速頻率(lü)越大,瞬時流量(liang)差的波動程度(du)越小，同時波動(dòng)的🌈峰值也越小(xiǎo).
　　圖8爲入口平均(jun1)流速與瞬時流(liú)量方差及極差(chà)的關系.當振蕩(dang)👌頻率和流速振(zhèn)幅相同時,人口(kǒu)平均流速越大(dà),瞬時流量⛱️差的(de)方差和極差越(yue)大.圖9爲瞬時流(liu)量差方🌐差和極(jí)差與流速振幅(fu)關系.從圖中可(ke)以看🛀出，當人口(kou)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼平均流速相同(tong)時,對于給定的(de)振蕩頻率,瞬時(shí)流量差的方差(cha)和極🌈差随着流(liu)速⚽振幅增大而(er)增大.因此,當🐪人(rén)口流速峰值越(yue)大,瞬時流量差(chà)波動🌈也越大,瞬(shùn)時流量差就越(yue)🌐不穩定.
 
4結論
　　當(dāng)孔闆流量計所(suo)計量不可壓縮(suō)流體爲低頻振(zhen)蕩流動狀态時(shi)，通過前述CFD分析(xi),得到如下結論(lun):
1)孔闆兩端差壓(ya)爲周期振蕩狀(zhuàng)态,差壓與節流(liu)孔瞬👅時流量🏃🏻‍♂️同(tong)頻不同相.差壓(yā)幅值随人口流(liu)速振幅增💃大而(er)線性增大，且線(xiàn)👌性增長系數與(yu)振蕩頻率相關(guan).
2)圓管人口與出(chū)口存在周期波(bo)動的瞬時流量(liàng)差,振蕩頻🎯率越(yuè)大或人口流速(su)峰值越小，則瞬(shun)時流量差的波(bo)動也越小⛱️
3)在振(zhèn)蕩流态下,由于(yu)相位滞後和瞬(shun)時流量差的存(cún)在,使孔闆💃🏻流量(liang)計的測量流量(liang)與實際出口流(liú)量之間存在偏(pian)差振蕩頻率越(yuè)大,偏差也越大(da)..
4)孔闆流量計作(zuò)爲的流量計量(liàng)的常用元件,該(gai)分析結果對孔(kǒng)闆的結構設計(jì)及系統的整體(tǐ)動态特性研究(jiu)具有重要意義(yì). 本文來源于網(wang)絡,如有侵權聯(lián)系即删除！